sistema electrÓnico de potencia para una turbina eÓlica · trifásico, un conversor dc-dc, un...

ESCUELA TÉNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

ESPECIALIDAD ELÉCTRICA

SISTEMA ELECTRÓNICO DE POTENCIA PARA UNA TURBINA EÓLICA

Autor: Marcos Rived Martín

Director: Katherine O´Kane

Madrid

Junio 2016

3

AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN RED DE PROYECTOS

FIN DE GRADO, FIN DE MÁSTER, TESINAS O MEMORIAS DE BACHILLERATO

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

El autor D. MARCOS RIVED MARTÍN

DECLARA ser el titular de los derechos de propiedad intelectual de la obra: SISTEMA ELECTRÓNICO DE

POTENCIA PARA UNA TURBINA EÓLICA, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor

en el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual.

2º. Objeto y fines de la cesión.

Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la Universidad, el

autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas, de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo legal y

con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de distribución y de

comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica, tal y como se describen en la Ley de

Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra a) del

apartado siguiente.

3º. Condiciones de la cesión y acceso

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de derechos

contemplada en esta licencia habilita para:

a) Transformarla con el fin de adaptarla a cualquier tecnología que permita incorporarla a internet y hacerla

accesible; incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar “marcas de agua” o cualquier

otro sistema de seguridad o de protección.

b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica, incluyendo el

derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de garantizar su seguridad, conservación

y preservar el formato.

c) Comunicarla, por defecto, a través de un archivo institucional abierto, accesible de modo libre y gratuito a

través de internet.

d) Cualquier otra forma de acceso (restringido, embargado, cerrado) deberá solicitarse expresamente y obedecer

a causas justificadas.

e) Asignar por defecto a estos trabajos una licencia Creative Commons.

f) Asignar por defecto a estos trabajos un HANDLE (URL persistente).

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra tiene derecho a:

a) Que la Universidad identifique claramente su nombre como autor de la misma

b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través de cualquier

medio.

c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada.

d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras personas en relación

con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de propiedad intelectual sobre ella.

5º. Deberes del autor.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún derecho de

terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la intimidad y a la

imagen de terceros.

c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que pudieran

ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e intereses a causa de la

cesión.

d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por infracción de derechos

derivada de las obras objeto de la cesión.

4

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso con los derechos

del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin

lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:

La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza ni asume

responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior de las obras no conforme

con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se

reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas.

La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la responsabilidad

exclusive del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre del autor en el supuesto de

infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del depósito y archivo de las obras. El autor

renuncia a cualquier reclamación frente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente

en que los usuarios hagan uso de las obras.

La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un futuro.

La Universidad se reserva la facultad de retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos

suficientemente justificados, o en caso de reclamaciones de terceros.

Madrid, a 9 de JUNIO de 2016.

ACEPTA

Fdo

Motivos para solicitar el acceso restringido, cerrado o embargado del trabajo en el Repositorio Institucional:

6

Declaro, bajo mi responsabilidad, que el Proyecto presentado con el título:


en la ETS de Ingeniería - ICAI de la Universidad Pontificia Comillas en el

curso académico 2015/2016 es de mi autoría, original e inédito y

no ha sido presentado con anterioridad a otros efectos. El Proyecto no es plagio de otro, ni total ni

parcialmente y la información que ha sido tomada

de otros documentos está debidamente referenciada.

Fdo.: MARCOS RIVED MARTÍN Fecha: 09/06/2016

Autorizada la entrega del proyecto

EL DIRECTOR DEL PROYECTO

Fdo.: KATHERINE O´KANE Fecha: 30/04/2016

Vº Bº del Coordinador de Proyectos

Fdo.: Fecha: ……/ ……/ ……

8


Autor: Rived Martín, Marcos


Entidad colaboradora: University of Illinois

RESUMEN DEL PROYECTO

1-. INTRODUCCIÓN

El proyecto se basa fundamentalmente en el diseño de una caja de baterías dotada de un sistema de

electrónica de potencia que permita el uso de energía generada en una turbina eólica de eje vertical.

La aplicación fundamental que este diseño tendrá será la de proveer, a nivel doméstico, una sistema

eficiente que permita emplear la energía del viento para cubrir las necesidades energéticas del hogar,

tales como la carga de aparatos eléctricos, la alimentación de calefactores, sistemas de iluminación etc.

El diseño constará de dos módulos. En primer lugar el módulo de carga que transformará la energía

generada por la turbina eólica en energía almacenada en una batería de plomo ácido para su posterior

uso. En segundo lugar contará con el módulo de descarga. Este módulo hará las veces de la interacción

con el usuario. Estará dotado de portabilidad y podrá ser desprendido del eje central, siendo, además,

de gran utilidad cuando se requiera de necesidades energéticas lejos de una fuente de alimentación

como en este caso es la turbina.

Todo ello se diseñará siguiendo unas pautas de eficiencia y coste que permitan aprovechar al máximo

los recursos disponibles y lograr resultados beneficiosos a nivel global. Este proyecto se considera el

primer avance para lograr extender la energía eólica en los hogares como ya ha venido haciendo la

energía solar en los últimos años. La inversión inicial podrá ser recuperada a largo plazo con la

inclusión de un sistema de acople a la red general que permita enviar energía sobrante a la red a cambio

de una retribución pactada con las compañías eléctricas oportunas.

2-. METODOLOGÍA

La turbina estará formada por una máquina síncrona de dos polos que, por razones de seguridad, girará

a 240 rpm constantes independientemente de las condiciones meteorológicas. Esta velocidad producirá

una diferencia de tensión de 9 Voltios entre tierra y cada una de las tres líneas con las que contará la

salida trifásica de la propia turbina. Esa diferencia de potencial será aprovechada por el sistema de

electrónica de potencia para alimentar dispositivos electrónicos, tales como calefactores, móviles,

lámparas etc.

El sistema electrónico de potencia contará con elementos que transformen la tensión trifásica de salida

del generador en tensión continua y a continuación, la adecúen conforme a la tensión nominal que se

requiera en cada caso. Para este proceso se diseñarán los siguientes elementos: Un rectificador

9

trifásico, un conversor DC-DC, un sistema de control para cargar la batería, un cargador de batería, un

inversor y varios dispositivos que conformen la interacción con el usuario.

El rectificador trifásico transformará los 9 V entre fase y tierra del generador en, aproximadamente,

21 V de tensión continua con rizado. Los 21 V de tensión continua supondrán la entrada al conversor

DC-DC que, mediante un circuito con interruptores junto con un filtro, logrará una tensión de 15 V de

continua fija para la carga de la batería.

Por otro lado, para mantener los 15 V de continua, cuya procedencia se acaba de explicar, se

implementará un sistema de control basado en lenguaje Arduino de forma iterativa que muestree la

tensión de salida en cada instante y corrija el ciclo de los interruptores para lograr 15 V de forma

constante.

Figura 1: Diagrama de bloques

Una vez que se asumen 15 V de continua a la salida del conversor de forma constante, habrá que

modificarlos ligeramente en función de la carga de la batería en cada instante de forma que se ajuste a

las necesidades de la misma. Para ello se introducirá un cargador de batería que realice una doble

función: Primeramente, deberá adecuar la tensión a la que la batería carga de forma que para cada nivel

de carga, la tensión sea la precisa. En segundo lugar, deberá estar dotado de un limitador de corriente

que cumpla con las especificaciones de la batería y no sobrepase los límites máximos en el amperaje

de la misma.

En el lado de descarga del proyecto, se interactuará con el usuario para suplir ciertas necesidades, tales

como la carga de dispositivos electrónicos; la alimentación de elementos de iluminación, calefactores

etc.; medida de la carga de la batería… Para las salidas que requieran 110 V, 60 Hz se construirá un

inversor que transforme los 12 V que aporta la batería en 110 V, 60 Hz de tensión alterna. Para ello se

integrará un transformador con núcleo de hierro que eleve la tensión desde los 12 V de tensión alterna

aportados por el inversor.

Para el resto de elementos se optará por adquirirlos desde catálogos comerciales para mejorar las

prestaciones que los caracterizan. Estos incluirán un dispositivo dotado de dos puertos USB que

trabajan a 5 V, los cuales ya integran el regulador de tensión pertinente que baja la tensión desde los

10

12 V de la batería. El amperaje estará limitado a 0.7 A que permitirá la carga de los elementos

electrónicos a los que conecte.

Sumado a esto, el proyecto contará con otro dispositivo comercial que lea la tensión que existe en cada

momento en los bornes de la batería y muestre, seguidamente, el porcentaje de carga que tiene la

batería en ese instante.

3-. RESULTADOS

El Resultado del proyecto de forma global se considera un éxito. Si bien es cierto que algunos aspectos

no han podido completarse en el tiempo estimado, son aspectos irrelevantes para el funcionamiento

del proyecto a nivel general.

Se logró la integración de los diferentes módulos que conforman el proyecto. Iniciándose el flujo de

energía en una fuente trifásica de 9 voltios se logró cargar un teléfono móvil a través de la salida de

110 V, 60 Hz.

Por otro lado, desde la misma fuente de energía, se logró la funcionalidad de los dispositivos USB

logrando la carga del mismo teléfono móvil de forma satisfactoria. Ambas terminales abastecían la

batería de este, que cargaba a un ritmo de 10% cada 20 minutos, estimando una carga total en algo más

de tres horas; solo algo más que una carga convencional con elementos comerciales.

Figura 2: Medidor del nivel de carga

Se tomaron muestras de las diferentes medidas que ofrecía el dispositivo electrónico que mostraba el

nivel de carga de batería y el error de medida se estimó en únicamente un +/-.5%.

Por último, se aseguró que la carga de la batería se realizaba de forma segura, manteniendo los 15 V

de la salida del conversor DC-DC constantes gracias al trabajo del microcontrolador Arduino y que en

función del nivel de carga, la tensión a la que estaba sometida la batería se modificaba ligeramente

como se estudió teóricamente.

4-. CONCLUSIONES

Este proyecto ha servido fundamentalmente para poner el primer paso hacia la globalización de una

energía inagotable y renovable como es la eólica en el uso cotidiano de los hogares. La energía solar

ha predominado en el ámbito doméstico en los últimos años, pero la ineficiencia supone un hándicap

aún por solventar. Añadido a eso, las impuestos y las subvenciones no alcanzar para dotar a los

sistemas solares de gran autosuficiencia.

11

Por ello este proyecto sirve para proponer una alternativa a esa energía y conseguir que, con una gran

densidad de energía, el viento constituya la principal fuente de energía para el abastecimiento de los

hogares.

No solo eso, sino que mediante una inversión inicial escasa, puedes llegar a cubrir las necesidades

eléctricas del hogar, puedes obtener una fuente de energía aislada que alimente dispositivos aun cuando

se desconecta de la turbina, puedes devolver energía a la red y aplicar lo que se conoces como Net

Metering, mediante el cual se aplica una retribución de acuerdo con la compañía eléctrica y en general,

se avanza hacia un futuro limpio y eficiente libre de emisiones tóxicas a la atmósfera, el cual todo

ingeniero desea.

5-. REFERENCIAS

[1] D. Hart, Power electronics. New York: McGraw-Hill, 2011.

[2] Battery University Charging Lead Acid, web page. Available at:

http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_the_lead_acid_battery. Accessed February

2016.

[3] WindBlue Power DC-540 Alternator, web page. Available at:

http://www.windbluepower.com/Permanent_Magnet_Alternator_Wind_Blue_Low_Wind_p/dc-

540.htm. Accessed February 2016.

[4] LT1513 Battery Charger, datasheet, Linear Technology, Corp., 1996. Available at:

http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1513fas.pdf.

[5] DC/DC and DC/AC PWM Converters, web page. Available at:

http://www.mathworks.com/help/physmod/sps/examples/dc-dc-and-dc-ac-pwm-

converters.html. Accessed March 2016.

[6] IRS2183 Half-Bridge Driver, datasheet, International Rectifier, 2006. Available at

http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irs2183.pdf.

[7] Arduino Based Switching Voltage Regulators, web page. Available at:

http://www.instructables.com/id/Arduino-based-Switching-Voltage-Regulators/. Accessed April

2016.

[8] F-260U Transformer, datasheet, Triad Magnetics, 2013. Available at:

http://catalog.triadmagnetics.com/Asset/F-260U.pdf.

[9] How to Design an Inverter, web page. Available at: http://www.homemade-

circuits.com/2013/03/how-to-design-inverter-basic-circuit.html. Accessed April 2016.

[10] IEEE Code of Ethics, web page. Available at:

http://www.ieee.org/about/corporate/governance/p7-8.html. Accessed March 2016.

http://www.windbluepower.com/Permanent_Magnet_Alternator_Wind_Blue_Low_Wind_p/dc-540.htm


http://www.mathworks.com/help/physmod/sps/examples/dc-dc-and-dc-ac-pwm-converters.html


http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irs2183.pdf

http://www.instructables.com/id/Arduino-based-Switching-Voltage-Regulators/

http://catalog.triadmagnetics.com/Asset/F-260U.pdf

http://www.homemade-circuits.com/2013/03/how-to-design-inverter-basic-circuit.html


http://www.ieee.org/about/corporate/governance/p7-8.html

13

BATTERY BOX PROJECT

Author: Rived Martín, Marcos


Collaborating organization: University of Illinois

PROJECT SUMMARY

1-. INTRODUCTION

This project is based, essentially, on the design of a battery box along with a power electronics system

which enables the use of the energy generated in a Vertical Axis Wind Turbine. The Main application

of this design will be to provide houses with an efficient system that allows to use wind energy to

cover energetic necessities at home such as charging processes, illumination systems, and other

electronic devices.

The design will consist of two modules. Firstly, the charging module will transform the energy

generated by the wind turbine into stored energy in a lead-acid battery for futures applications.

Secondly, it will include a discharging module. This module´s function will be to set the platform the

user will interact with. It will be detachable from the global system which means a huge advantage

when energy is needed remotely from the main source of energy, which is the wind turbine in this

particular case.

All of this will be designed following patterns of efficiency and cost that permit to harness available

resources and achieve globally beneficial results. This project is considered the first step towards the

expansion of wind energy at homes likewise solar energy has been doing this previous years. In

addition to that, the initial investment will be continuously reimbursed thanks to the inclusion of a net

metering connected and synchronized with the grid that yields benefits according to a contract with

the electric company.

2-. METHODOLOGY

The turbine will work thanks to a two-pole synchronous motor which will rotate at constant 240 rpm

due to safety issues. This specific motor speed will imply a 9-volt phase-to-line voltage drop across

the three-phase outlet of the generator. This voltage drop will be accordingly transformed by the power

electronics block in order to feed various devices such as laptop batteries, mobile phone chargers,

lamps…

The power electronics block, mentioned before, will be made up of elements that transform the output

AC voltage into DC voltage at a determined voltage to be properly stored in a battery and subsequently,

feed these electronic devices. For that purpose, these are the elements that will be designed: A three-

phase full-bridge rectifier, a DC-DC converter (buck converter), a full-bridge inverter and several

devices that supply energy to the user, accordingly.

Firstly, the three-phase full-bridge rectifier will transform 9 V phase-to-line from the generator to

roughly 21 V DC with scarce ripple. These 21 V DC voltage are meant to be the input to the buck

converter for the next step and it will step them down to constant 15 V at the output to charge the

battery.

14

However, this module is not capable of maintaining 15 V constantly at every time due to disturbances

both at the output and input. Thus the necessity of a voltage controller that reads the output, compares

it to a voltage reference, set at 15 V, and properly adjusts the duty cycle of the switch to output the

desired 15 V to charge the battery. Arduino Uno will be the programmed microcontroller that will run

this controller.

Figure 1: Block diagram

Once the DC-DC converter outputs 15 V regularly thank to the control, implemented on it, there must

exist another element between them and the battery that adjusts the voltage depending on the stage at

which the battery charging level is. Therefore, an Ic charger will be included to carry out a double

function: At first it will properly adapt the voltage to fulfill the battery requirement with regard to the

charging level. Secondly it will provide a limitation for the maximum current flowing through it in

order to not overcharge the battery and imply a dangerous consequence.

The battery that will be used in this project will be a lead-acid battery. The fundamental reason for it

is the safety issues that it implies. Other batteries such as lithium batteries are made of toxic chemical

substances that, without the adequate preventions, can be dangerous to people. The second reason is

that, when working at low temperatures, this sort of battery works more effectively. According to the

characteristics of the project, battery will never work over 35ºC, which makes it possible to use a lead-

acid battery under those circumstances.

With reference to the discharging module, the user will be able to get involved with the system by

charging electronic devices, supply illumination elements or even checking the level of charging of

the battery. For the 110-volt outlets an inverter will be designed to transform the 12 V from the battery

into an alternating voltage of 12 V, 60 Hz. Subsequently, a transformer will be also implemented to

step voltage up from 12 V to 110 V at 60 Hz as well.

The rest of the elements will be purchased from a catalogue to ensure that quality meets the

requirement of the functionality. Two USB ports working at 5 V and limited at 0.7 A will be added to

the system. These include a voltage regulator that steps down the voltage from 12 V to 5 V.

In addition to that, a battery gauge will be installed along with the battery module so that accurate

readouts of the level of charging of the battery can be shown to the user at every time.

15

3-. RESULTS

The result of the project as global is considered a success. Even though it is true that some aspects

have not been able to be completed in the estimated time frame, they are irrelevant to the general

running of the system.

The integration of the different modules that together constitute the project have been reached. On the

one hand, beginning with an energy flow in a three-phase source, it was possible to charge a mobile

phone through a 110V, 60 Hz outlet. On the other hand, from the same energy source, the complete

functionality of the USB devices was successfully accomplished, while also the charge of the same

mobile phone.

Both terminals provide the battery of it, which charged at a rate of 10% every 20 minutes, estimating

a total charge in approximately more than three hours, just a little bit more than a traditional load with

commercial elements.

Figure 2: Battery gauge

There were taken samples of the different measurements that the electronic device offered, which

indicated the level of charge of the battery. The measurement error was estimated in only +/- 5%.

Finally, it was guaranteed that the battery charger was working correctly, keeping the 15V of the output

of the converter DC-DC constant thanks to the microcontroller Arduino, which, depending on the level

of charge, the voltage that the battery was subdued modified slightly as was examined theoretically.

4-. CONCLUSIONS

Essentially, this project has established the first step toward the globalization of an endless and

sustainable energy, like wind energy is, for routine use at home. Solar energy has predominated the

domestic filed in the previous years, but inefficiency is a handicap yet to be solved. In addition to that,

subsidies are not enough yet and financial aid must be improved in order to use this type of energy.

Therefore, this project guarantees an alternative to that energy and achieve that, with a high power

density, wind constitutes the main energy source for house supply.

Not only the latter, but starting with a low initial investment, electric necessities at home can be

covered, an isolated source of energy can be harnessed, energy can be sold to the grid thanks to the

concept of Net Metering. With this wide range of opportunities, that this project offer, a clean future

with no toxic chemicals and with plenty of renewable energies seems to be closer.

16

5-. REFERENCES



http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_the_lead_acid_battery. Accessed February 2016.







http://www.mathworks.com/help/physmod/sps/examples/dc-dc-and-dc-ac-pwm-

converters.html. Accessed March 2016.




http://www.instructables.com/id/Arduino-based-Switching-Voltage-Regulators/. Accessed April

2016.



[9] How to Design an Inverter, web page. Available at: http://www.homemade-

circuits.com/2013/03/how-to-design-inverter-basic-circuit.html. Accessed April 2016.

[10] IEEE Code of Ethics, web page. Available at:

http://www.ieee.org/about/corporate/governance/p7-8.html. Accessed March 2016.











ESTE PROYECTO INCLUYE LOS SIGUIENTES DOCUMENTOS:

Documento Nº 1: Memoria

1.1 Introducción

1.2 Diseño

1.3 Resultados

1.4 Conclusión

1.5 Agradecimientos

Documento Nº 2: Análisis de seguridad y riesgos

2.1 Introducción

2.2 Seguridad

Documento Nº 3: Presupuesto

3.1 Inversión inicial

3.2 Coste de los elementos

3.3 Mano de obra

Documento Nº 4: Términos éticos

4.1 Consideraciones

Documento Nº 5: Anexos

DOCUMENTO 1:

MEMORIA

Contenido

1-. Introducción ................................................................................................................................................. 23

2-. Diseño ........................................................................................................................................................... 25

2.1 Rectificador trifásico ............................................................................................................................ 25

2.1.1 Análisis teórico ................................................................................................................................. 25

2.1.2 Simulaciones ..................................................................................................................................... 29

2.2 Conversor DC-DC ................................................................................................................................ 30


2.2.2 Simulaciones ..................................................................................................................................... 37

2.3 Microcontrolador .................................................................................................................................... 38

2.3.1 Iniciación a Arduino .......................................................................................................................... 38

2.3.2 Diseño del control............................................................................................................................. 39

2.3.3 Simulaciones ..................................................................................................................................... 42

2.4 Cargador de batería ................................................................................................................................. 43


2.5 Inversor .................................................................................................................................................... 45


2.5.2 Simulaciones ..................................................................................................................................... 47

2.6 Placa de circuito integrado ...................................................................................................................... 48


2.6.2 Diseño de los esquemas ................................................................................................................... 49

2.6.3 Diseño de la placa ............................................................................................................................. 52

3-. Resultados .................................................................................................................................................... 57

3.1 Rectificador ........................................................................................................................................... 57

3.1.1 Procedimiento ................................................................................................................................ 57

3.1.2 Resultados ..................................................................................................................................... 57

3.1.3 Valoración ......................................................................................................................................... 58

3.2 Conversor DC-DC ..................................................................................................................................... 59

3.2.1 Procedimiento .................................................................................................................................. 59

3.2.2 Resultados ........................................................................................................................................ 59

3.2.3 Valoración ......................................................................................................................................... 60

3.3 Microcontrolador .................................................................................................................................... 61

3.3.1 Procedimiento .................................................................................................................................. 61

3.3.2 Resultados ........................................................................................................................................ 61

3.3.3 Valoración ......................................................................................................................................... 62

3.4 Inversor .................................................................................................................................................... 62

3.4.1 Procedimiento .................................................................................................................................. 62

3.4.2 Resultados ........................................................................................................................................ 62

3.2.3 Valoración ......................................................................................................................................... 63

4-. Conclusión .................................................................................................................................................... 64

4.1 Resumen final .......................................................................................................................................... 64

4.1.1 Éxitos ................................................................................................................................................ 64

4.1.2 Incertidumbres ................................................................................................................................. 64

4.2 Trabajo futuro .......................................................................................................................................... 65

5-. Referencias ................................................................................................................................................... 67

6-. Agradecimientos .......................................................................................................................................... 68

23

1-. Introducción

Se propondrá el diseño y la implantación de una caja de baterías que almacene la energía

generada por una turbina eólica de eje vertical compuesta de un generador síncrono trifásico

de dos polos girando a 240 rpm y produciendo una tensión de línea de 9 voltios. Se supondrá

una velocidad de rotación invariable dado que la turbina está dotada de un control de

velocidad que la mantiene constante con independencia de la velocidad relativa del viento

para cada situación. Una vez almacenada, la energía podrá ser descargada para alimentar

dispositivos electrónicos como cargadores de móviles y ordenadores, calefactores y otros

elementos conectados a 120 V, 60 Hz.

El proceso de transformación de energía comenzará desde los 9 V (eficaces) de tensión de

línea del generador trifásico y concluirá con los 15 V necesarios de tensión continua para

cargar la batería seleccionada. Para ello se dispondrá de un rectificador trifásico que corrija

la señal; un filtro de paso bajo de segundo orden, que reduzca el rizado de tensión y corriente

de salida; un conversor DC-DC con control de realimentación que ajuste a 15 V la salida y

por último un chip que asegure una carga eficaz y libre de riesgos a corriente constante de

la batería.

Por otro lado, la batería será de 12 V tensión nominal por lo que se implementará un

regulador de tensión para obtener los 5 V con los que funciona la mayoría de dispositivos

electrónicos mediante puertos USB. Además, para la salida de alterna a 120 V, 60 Hz, se

construirá un inversor monofásico junto con un transformador 12-120 V. Todo esto se puede

apreciar con mayor claridad en el diagrama de bloques representado en la Ilustración 1.

Ilustración 1: Diagrama de bloques complete

Cada bloque será explicado con detalle en apartados posteriores indicando los componentes

que lo componen, su principio de funcionamiento y los resultados obtenidos en su ejecución.

Todos ellos se establecerán en un circuito integrado colocado en una placa sobre la que se

24

soldarán para disminuir las pérdidas de ensamblaje y otras pérdidas residuales debidas a

imprecisiones de montaje.

En definitiva, este proyecto buscará lograr un conjunto de elementos de transformación de

energía dispuestos en un espacio reducido en favor de la manejabilidad del sistema. A su

vez, la parte de la batería y las diversas salidas (enchufes, USB…) podrá ser portátil y podrá

manejarse con independencia de la turbina eólica una vez que las beterías estén cargadas.

De esta forma se espera lograr un gran ahorro energético y dar el primer paso hacia la

autosuficiencia en los hogares a través de una energía limpia y sostenible como es la energía

eólica.

25

2-. Diseño

En los siguientes apartados de esta sección se detallarán todos y cada uno de los bloques

definidos previamente, explicando la función que realizan, la importancia en el sistema global

y los elementos que integran a cada uno de ellos.

2.1 Rectificador trifásico

Ilustración 2: El rectificador es el primer bloque del sistema

2.1.1 Análisis teórico

Un rectificador trifásico es un elemento de electrónica de potencia que convierte, mediante

la disposición lógica de unos diodos, una señal alterna trifásica en una señal monofásica

continua. El esquema típico que se suele emplear es el representado en la Ilustración 2. Su

principio de funcionamiento y el resultado esperado se muestra en la Ilustración 3.

Siguiendo la ley de Kirchhoff a lo largo de cualquier vía se confirma que únicamente los

diodos D1, D3 y D5 pueden conducir simultáneamente y el diodo que en ese preciso instante

esté conduciendo tendrá su ánodo conectado a la tensión compuesta que sea mayor.

De la misma forma, los diodos D2, D4 y D6 actuarán de la misma forma con la excepción de

que al conducir conectarán su cátodo a la tensión compuesta más pequeña en cada fase de

conducción.

Consiguientemente, la tensión a la salida del rectificador será una de las tensiones

compuestas cada vez. Por ejemplo, cuando los diodos D1 y D2 estén conduciendo, la tensión

de salida será Vac. Además, los diodos que conduzcan están determinador por la tensión

26

compuesta mayor en cada instante, es decir, cuando, por ejemplo, Vac sea la mayor, esa

misma será la tensión en la carga.

Hay seis combinaciones diferentes de tensiones compuestas (tres fases de dos en dos).

Considerando un período angular de 360°, cada transición de tensión compuesta mayor

debe ocurrir cada 360/6=60°. Esto hace que a este circuito se le conozca también como un

“Rectificador de seis pulsos”.

La frecuencia fundamental de la tensión de salida es 6ω donde ω es la frecuencia de la

secuencia trifásica de la fuente. De esta forma, la tensión de salida estará regida por la

Ecuación (1), para π/3 ≤ ωt ≤ 2π/3 y un periodo de π/3 para la determinación de los

coeficientes de Fourier.

𝑉𝑜(𝜔𝑡) = √2𝑉𝑓𝑓sin(𝜔𝑡)

(1)

Partiendo de la ecuación base de la serie de Fourier para una función periódica presentada

en la Ecuación (2), las Ecuaciones (3) y (4) muestran el cálculo de los coeficientes de dicha

ecuación, donde Vff representa la tensión compuesta.

𝑣𝑜(𝑡) = 𝑉𝑜 + ∑ 𝑉𝑛cos(𝑛𝜔𝑜𝑡 + 𝜋)

∞

𝑛=6,12,18…

(2)

𝑉𝑜 =1

𝜋/3∫ √2𝑉𝑓𝑓 sin(𝜔𝑡)𝑑(𝜔𝑡) =

3√2𝑉𝑓𝑓

𝜋

2𝜋/3

𝜋/3

= 0.955√2𝑉𝑓𝑓

(3)

𝑉𝑛 =6√2𝑉𝑓𝑓

𝜋(𝑛2 − 1)𝑛 = 6, 12, 18…

(4)

Una ventaja del rectificador trifásico con respecto al monofásico es que la señal de salida

es, inherentemente, muy similar a una señal de continua y que, gracias a los armónicos de

baja amplitud y alta frecuencia, los filtros se presentan más efectivos.

27

Ilustración 3: Esquema típico del rectificador trifásico

Ilustración 4: Señal esperada a la salida del rectificador

Haciendo referencia a las ecuaciones presentadas a continuación, se destaca que la tensión

esperada a la salida del rectificador trifásico será de 0.955 veces la amplitud de la tensión

compuesta que proporciona la fuente trifásica, en este caso, el generador.

Como resultado de lo anterior, se puede deducir que la tensión esperada en la carga se

establecerá conforme a lo expuesto en la Ecuación 5 y será de 21 V, asumiendo que la

tensión de entrada (Vf) será de 9 V a la velocidad del motor establecida de 240 rpm.

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑓 ∗ √3√2 ∗ 0.955 = 21.05𝑉 (5)

Se escogió un diodo Schottky para establecer las transiciones necesarias en este circuito y

se colocaron seis, dispuestos como se mencionó anteriormente, formando un “Puente

universal” y se añadió un filtro de segundo orden de paso bajo para reducir el rizado tanto

de la corriente de salida como de la tensión.

El esquema empleado, teniendo en cuenta todo lo explicado se puede observar en la

Ilustración 4. Como nota aclarativa, la carga empleada para realizar el ejercicio se escogió

de 25 Ohmios para aproximar la corriente esperada en próximas simulaciones.

28

Ilustración 5: Rectificador trifásico con filtro

Para el cálculo del filtro se comenzó afirmando que se necesita un paso bajo para atenuar

armónicos de alta frecuencia y lograr una señal de salida cercana a una señal de continua.

Además, tanto la corriente como la tensión de salida, en el caso de presentar un alto rizado,

pueden suponer un serio riesgo para la integridad de los próximos elementos que tengan

que lidiar con ellas. Por esta razón, se decidió emplear un condensador y un inductor para

hacerlo de segundo orden y tener la posibilidad de controlar ambas señales.

De esta forma se procede al cálculo de la función de transferencia del sistema:

𝑉𝑜𝑢𝑡𝑉𝑖𝑛

=

𝑅1𝐶𝑠

𝑅 +1𝐶𝑠

𝑅1𝐶𝑠

𝑅 +1𝐶𝑠

+ 𝐿𝑠

(6)

Que, buscando que ωc sea 70 Hz y aproximando a los valores comerciales que la empresa

distribuidora Digikey presenta, se obtuvieron los siguientes resultados:

C = 4.7mF

L = 2mH

R = 25 Ω

29

2.1.2 Simulaciones

En este apartado se expondrán los resultados de las simulaciones ejecutadas con el

software matemático Matlab con los elementos explicados anteriormente y os valores

calculados teóricamente.

El esquema sigue siendo el mostrado en la Ilustración 5 acompañado del filtro de paso bajo

para reducir al máximo los armónicos de la señal de salida y lograr un rizado ínfimo.

En primer lugar se muestra la gráfica correspondiente a la tensión de salida del filtro,

tomando como entrada una tensión trifásica de nueve voltios eficaces entre fase y tierra.

Los ejes vertical y horizontal corresponden a tensión y tiempo, respetivamente.

Ilustración 6: Tensión de salida vs tiempo

A continuación se muestra la gráfica en el tiempo de la corriente que atraviesa la carga,

siendo los ejes vertical y horizontal, la corriente y el tiempo, respectivamente.

30

Ilustración 7: Corriente de salida vs tiempo

En ambas simulaciones se puede comprobar cómo el rizado de las señales es mínimo e

incluso imperceptible. Esto se debe a los valores escogidos tanto para el condensador como

para el inductor, que lograr de forma casi perfecta, atenuar este fenómeno.

2.2 Conversor DC-DC

Ilustración 8: El conversor DC-DC se sitúa a continuación del rectificador

31


Un conversor DC-DC nace del fundamento del circuito con interruptor controlado. Variando

el porcentaje de cada periodo en el que un determinado interruptor está encendido o

apagado se puede modificar la media de la señal que se introduce a dicho circuito.

A grandes rasgos y de forma imprecisa, la tensión de carga que soporta RL en la Ilustración

6 puede ser calculada siguiendo la Ecuación (7), donde la variable D responde a ese

porcentaje de cada periodo en el que el interruptor está encendido.

Ilustración 9: Circuito con interruptor

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 ∗ 𝐷 (7)

El elemento electrónico más empleado para actuar como interruptor es el MOSFET; un

transistor controlado que se enciende y apagada a una determinada frecuencia. Según el

esquema presentado antes, cuando el interruptor está cerrado, la tensión de salida es

exactamente la misma que la de entrada, mientras que cuando está abierto, la tensión de

salida es directamente 0.

Formalmente expresado, la Ecuación (8) muestra la relación entre la tensión de entrada y

salida:

𝑉𝑜𝑢𝑡 =1

𝑇∫𝑣𝑜(𝑡)𝑑𝑡 =

1

𝑇∫ 𝑣𝑖𝑛(𝑡)𝑑𝑡 =

𝐷𝑇

0

𝑣𝑖𝑛𝐷

𝑇

0

(8)

La potencia consumida por el interruptor ideal es cero. Cuando está abierto, no hay corriente

fluyendo a través, mientras que cuando está cerrado no hay caída de tensión. Sin embargo,

las pérdidas en una situación real tendrán lugar porque sí hay caída de tensión cuando está

cerrado y la tensión de salida no es exactamente igual que la tensión de entrada.

En concreto, el conversor conocido con el sobrenombre inglés “Buck converter” es un circuito

basado en lo explicado previamente, en el que un MOSFET, típicamente, se enciende y

apaga para modular la tensión de salida, que a su vez, es filtrada por un filtro de paso bajo

para obtener una señal, sin apenas rizado, óptima. Si el filtro es ideal, la salida es la media

de la entrada.

A continuación se muestra una serie de circuitos para analizar en profundidad el

funcionamiento de este tipo de conversor.

32

Ilustración 10: Esquema del conversor

Ilustración 11: MOSFET cerrado

Ilustración 12: MOSFET abierto

Estudiando los circuitos expuestos anteriormente, se comprueba cómo la entrada al filtro,

que está denotado como vx, cuando el MOSFET está cerrado (durante un periodo DT) es Vs

y cuando está abierto (durante un periodo (1-D)T), por el contrario, es cero. De esta forma,

la tensión que va a ser filtrada y que existe a la entrada del filtro se expresa como VsD.

Este análisis asume que el diodo conduce todo el tiempo mientras el interruptor está abierto,

implicando que la corriente que fluye a través del inductor es positiva. Una corriente positiva

que atraviesa un inductor durante un periodo es también llamada “corriente continua”. Por el

contrario, corriente discontinua está caracterizada por el regreso a cero de la corriente del

inductor en cada periodo

Se tomarán las siguientes asunciones para los posteriores análisis de este circuito:

El circuito opera en régimen permanente

La corriente del inductor es positiva

33

El condensador es muy grande, así que la tensión de salida se mantendrá constante

y de valor Vo

El periodo es T, por lo que el MOSFET está cerrado un periodo DT y se abrirá durante

(1-D)T.

Los componentes son ideales.

En primer lugar se estudiará el periodo en el que el interruptor está cerrado. Durante este

tiempo, el circuito resultante es el mostrado en la Ilustración 7. Gracias a la asunción de que

se trabaja en régimen permanente, la media de la tensión durante un periodo completo

(abierto y cerrado) debe ser cero, por lo tanto durante DT la tensión será:

𝑣𝐿 = 𝑉𝑠 − 𝑉𝑜 = 𝐿𝑑𝑖𝐿𝑑𝑡

(9)

Por consiguiente:

𝑑𝑖𝐿𝑑𝑡

=𝑉𝑠 − 𝑉𝑜

𝐿

(10)

Y dado que la derivada de la corriente es una constante positiva, la corriente aumenta de

forma lineal como muestra la Ilustración 9 y el valor es mostrado en la Ecuación 11

(∆𝑖𝐿)𝑐𝑙𝑜𝑠𝑒𝑑 = (𝑉𝑠 − 𝑉𝑜

𝐿)𝐷𝑇

(11)

Ilustración 13: Variación de la intensidad de inductor

Sustituyendo valores se obtiene:

(𝑉𝑠 − 𝑉𝑜

𝐿)𝐷𝑇 − (

𝑉𝑜𝐿) (1 − 𝐷)𝑇 = 0

(12)

𝑉𝑜 = 𝑉𝑠𝐷

Que es el mismo resultado obtenido en párrafos anteriores. Como conclusión, este conversor

te genera una señal que es menor o igual que la señal de entrada dado que la variable D no

puede ser nunca mayor que 1.

34

Hay que reseñar que la tensión de salida solo depende de la variable D, por lo que una

perturbación, por mínima que sea, en la entrada justifica la necesidad de ajustar D. Para ello

se dispondrá de un bucle de realimentación que mida la tensión de salida, la compare con

una referencia y modifique, según convenga en cada caso, el ciclo. Esto se detallará en

secciones posteriores.

Ahora que la variable tensión está analizada, la siguiente preocupación será la intensidad de

salida, que estará influenciada, en gran medida, por la actuación del inductor. La Ecuación

13 aporta la expresión de la variación de intensidad del inductor, por lo que se pueden

obtener las siguientes ecuaciones:

𝐼𝑚𝑎𝑥 = 𝐼𝐿 +∆𝑖𝐿2

= 𝑉𝑜(1

𝑅+1 − 𝐷

2𝐿𝑓)

(13)

𝐼𝑚𝑖𝑛 = 𝐼𝐿 −∆𝑖𝐿2

= 𝑉𝑜(1

𝑅−1 − 𝐷

2𝐿𝑓)

(14)

Donde f representa el inverso del periodo 1/T.

Para conseguir que el circuito trabaje en todo momento en modo de conducción continuo,

Imin deberá ser igual a cero o mayor, donde cero representa el mínimo para cumplir dicha

condición. De esta forma, analizando las variables de las que depende, se puede obtener la

expresión que reporta el valor de la inductancia mínima para este conversor de forma que

no se llegue a trabajar en ningún momento en discontinuo.

𝐿𝑚𝑖𝑛 =(1 − 𝐷)𝑅

2𝑓

(15)

Una vez estudiado el rizado implícito en la corriente de salida de este conversor, se procede

a hacer lo propio con el rizado de tensión que lleva inherente la salida.

En párrafos anteriores se asumió el hecho de que el condensador es muy grande, lo que

hacia la primera aproximación bastante simple. En la práctica, nunca puede ser así. Para

estudiar el comportamiento se hace referencia a la relación intrínseca entre corriente y

tensión del condensador.

Mientras la corriente que atraviesa el condensador es positiva, este mismo se carga:

∆𝑄 = 𝐶∆𝑉𝑜 (16)

La Ilustración 10 recoge el comportamiento de la intensidad que atraviesa el condensador

durante un periodo junto con el estudio del proceso de carga y descarga que esta implica.

35

El cálculo del área sombreada en la misma Ilustración aporta la variación de tensión que

acompaña y, finalmente, más abajo, se adjunta la expresión del valor del condensador

mínimo necesario para trabajar en régimen continuo.

Ilustración 14: Intensidad del condensador

∆𝑄 =1

2(𝑇

2) (

∆𝑖𝐿2) =

𝑇∆𝑖𝐿8

(17)

∆𝑉𝑜 =𝑇∆𝑖𝐿8𝐶

(18)

𝐶𝑚𝑖𝑛 =1 − 𝐷

8𝐿 (∆𝑉𝑜𝑉𝑜

) 𝑓2

(19)

Si el rizado no es muy largo, lo cual está fuertemente condicionado por el valor de esta

capacitancia, el voltaje de salida será prácticamente constante y el anterior análisis será

también perfectamente válido siempre.

En el diseño utilizado en este proyecto, además del bucle abierto, se incluirá una

realimentación para ajustar el ciclo del MOSFET y mantener la tensión de salida constante

de acuerdo a la siguiente Ilustración.

36

Ilustración 15: Diagrama de bloques del conversor DC-DC

El esquema que se empleará para llevar a cabo este conversor se muestra en la siguiente

Ilustración y se procederá a explicar con todo detalle los elementos que lo componen, su

función y la interconexión entre los diferentes elementos.

Ilustración 16: Esquema del conversor DC-DC

37

En primer lugar destaca la parte superior de la Ilustración, donde se sitúa un elemento

denotado como DRIVER. Para el control del MOSFET se escogió una frecuencia de

interrupción de 50 kHz por lo que una señal PWM emitida a la base del MOSFET no es

suficiente para activarlo y desactivarlo a semejante velocidad. Es por ello que se requiere de

un elemento auxiliar que recibiendo una señal PWM por uno de los pines de entrada, logre

ajustar la frecuencia deseada al MOSFET.

Los elementos auxiliares que necesita el DRIVER para actuar son los recomendados en el

datasheet adjuntado en el ANEXO A.

El diodo empleado será, una vez más, un diodo Schottky de 25 V y 3 A, fundamental para

hacer funcionar un conversor directo como es este.

El inductor se escogió de 200 mH; el rizado y la funcionalidad será de inferior calidad al

inductor escogido para el rectificador trifásico, pero, por el contrario, el precio será mucho

menor y la capacidad de filtrado más que suficiente en este caso.

La carga será de nuevo de 25 Ω para lograr una intensidad próxima a la deseada en

condiciones de funcionamiento reales con todo el sistema incluido.

Por último, el condensador de salida se escogió de 500 µF, un valor adecuado para actuar

en tándem con el inductor en el filtrado y reducir el rizado de la tensión de salida de forma

considerable. Para mejorar la eficiencia y reducir las pérdidas debidas al efecto Joule por la

resistencia en serie conocida como ESR se colocaron cinco condensadores en paralelo de

forma que la capacitancia equivalente coincida con los 500 µF deseados a priori.

2.2.2 Simulaciones

A continuación se muestran los resultados de la simulación correspondiente al conversor

DC-DC empleando el mismo esquema presentado anteriormente.

Ilustración 17: Corriente y tensión vs tiempo

38

De nuevo se aprecia cómo el régimen permanente se mantiene constante a lo largo del

tiempo. Por el contrario, las dos desventajas que presenta esta simulación son las siguientes:

Por un lado, la tensión de salida no se corresponde con los 15 V deseados como se

explicó antes, que se necesitan para cargar la batería a la que se conectará este

conversor. Esto se debe a que existe caída de tensión en algunos de los elementos

del circuito ya que la simulación contó con ello. Por ello se aconseja la inclusión de

un control como se discutirá más adelante

Por otra parte, la simulación se llevó a cabo sin tener en cuenta el efecto de las

perturbaciones externas; es por ello por lo que el régimen permanente se mantiene

tan perfecto.

2.3 Microcontrolador

Ilustración 18: El microcontrolador afectará al conversor DC-DC

2.3.1 Iniciación a Arduino

Arduino se considera una plataforma de electrónica abierta capaz de recibir información de

muchos tipos gracias a la serie de pines que posee y de afectar al entorno a través de

secuencias lógicas que tienen un determinado resultado exteriorizado gracias, de nuevo, a

los pines.

El lenguaje de programación que se emplea para formar secuencias lógicas es el lenguaje

Arduino. Otra de las ventajas que este software maneja es la portabilidad, es decir, la

capacidad de ser ejecutado sin la necesidad de un ordenador al que ser conectado. Sin

embargo, también tiene la funcionalidad de conectar varios softwares diferentes

simultáneamente.

39

Ilustración 19: Arduino posee una gran manejabilidad

El Hardware de Arduino está basado en el microcontrolador ATmega8, ATmega168,

ATmega328, ATmega1280. Los programas se basan, fundamentalmente en el lenguaje de

programación C y C++ y se compilan en el compilador de código avr-gcc.

Entre las ventajas más significantes que este microcontrolador posee destacan:

No se necesita un programador externo gracias al que ya posee internamente

No requiere de grandes conocimientos informáticos y su facilidad de aprendizaje

hace de Arduino una herramienta frecuentemente escogida para programar.

Se trata de un hardware abierto. Esto implica las inmensas posibilidades de desarrollo

de sistemas electrónicos

Ya contiene todo el ensamblaje montado, lo que ahorra tiempo y espacio en el

protoboard, al que solo se conectarán cables de forma externa a los pines etc.

Sin embargo, la poca complejidad también induce una serie de desventajas a tener en

cuenta a la hora de usar Arduino:

El precio es elevado, comparado con PICS, PICAXE o integrados de AVR

No existe una amplia gama de Arduino, lo que complica las circunstancias cuando el

diseño no alcanza los requisitos de Arduino

Arduino comienza a funcionar nada más activarlo, lo cual puede suponer un peligro

si existe algún fallo durante el periodo transitorio inicial.

2.3.2 Diseño del control

Como ya se ha explicado en secciones anteriores, el diseño de un bucle abierto se queda

escaso para este proyecto. La necesidad de obtener 15 V constantemente a la salida del

conversor DC-DC es elevada y cualquier perturbación por mínima que sea en este

planteamiento puede tener consecuencias peligrosas como se estudiará en la sección de

seguridad más adelante.

40

Por consiguiente, se dispondrá de un control de lazo cerrado que, de forma iterativa, ajuste

el ciclo del PWM que maneja el DRIVER del MOSFET y mantiene 15 V a la salida del

conversor.

Esto se puede apreciar de forma gráfica en el siguiente gráfico:

Figura 3: Lazo cerrado

Hay que destacar la necesidad de colocar un límite superior para el ciclo ya que la variable

D que lo controla no puede ser mayor que 1 en ningún caso. El código completo se adjunta

en el Anexo B.

El esquema para integrar el controlador junto con el conversor se muestra a continuación.

41

Ilustración 20: Esquema completo con el control

Cabe destacar que Arduino posee una función lógica conocida como “analogRead” que lee

un determinado valor y lo transforma en un número entre 1 y 1023 con un máximo de 5 V

correspondiente a los 1023 del lenguaje Arduino.

Sin embargo, la tensión que se leerá en esta ocasión oscilara en torno a 15 V +/-1 V por lo

que hará falta un ajuste para hacer posible su lectura en el microcontrolador. Dicho ajuste

consiste en un divisor de tensión simple que aúne tres características fundamentales.

En primer lugar las pérdidas por efecto Joule en las resistencias deberán ser lo más

pequeñas posibles, minimizando al máximo la intensidad que circule, es decir,

maximizando el valor de las resistencias.

La relación de resistencias tendrá que satisfacer la relación de que 16 V (con un

margen de seguridad de 1 V) equivalga a 5 V en Arduino, siguiendo la siguiente

ecuación:

𝑉𝑜 = 𝑉𝑖𝑛𝑅1

𝑅1 + 𝑅2

(7)

La maximización de las resistencias no debe comprometer la precisión de lectura de

la tensión, ya que una intensidad demasiada pequeña circulando por Arduino puede

inducir errores y el malfuncionamiento de la secuencia lógica

Se incorporará un condensador en paralelo con el fin de mantener la tensión constante con

mayor precisión y evitar variaciones en la lectura.

42

2.3.3 Simulaciones

Se simuló el conversor DC-DC junto con el control para comprobar que ante una pequeña

perturbación a la entrada, se ajusta el ciclo y se mantienen 15 V de forma constante. Los

resultados se muestran a continuación.

En primer lugar se adjuntan las gráficas de la corriente y la tensión a la salida del conversor

después de aunarlo con el control.

Ilustración 21: Corriente y tensión vs tiempo con sus respectivos rizados

Una vez que los resultados obtenidos en la simulación del conversor y el control fueron

satisfactorios se prosiguió a implementar el rectificador trifásico y medir de nuevo la tensión

y la corriente de la carga colocada a la salida.

Se colocará una resistencia de 4.7 Ω como carga y se tomarán muestras de las gráficas

tanto de la tensión de salida (se esperan 15 V) como de la intensidad que la atraviesa (se

esperan 15/4.7 A)

La Ilustración 19 muestra el transitorio de ambas señales, con un sobrepaso muy pequeño

debido a la inicialización del ciclo desde el valor cero por lo que la respuesta será lenta pero

precisa.

43

Ilustración 22: Corriente y tensión vs tiempo (ms)

2.4 Cargador de batería

Ilustración 23: El cargador será fundamental para la seguridad del proceso de carga

44


La decisión de usar una batería de plomo y ácido, como se verá más adelante, implica la

necesidad de escoger un cargador de batería que regule el paso de corriente y permite que

el proceso de carga se realice de forma segura y eficaz.

Ilustración 24: Plano de LT1513

El cargador que se empleará en este diseño se propone por Linear Technology y se conoce

como LT1513. Se adjunta el datasheet completo en el Anexo B. Sin embargo la Ilustración

20 presenta la forma que este adquiere y a continuación, la Ilustración 21 muestra el circuito

aconsejado para su empleo.

Ilustración 25: Circuito recomendado para LT 1513

Para el proceso de carga, se mantendrá la tensión de entrada (que se corresponde con la

tensión de salida del conversor DC-DC estudiado en secciones anteriores) fija a 15 V

mientras que la salida dependerá del nivel de carga de la batería como se ilustra a

continuación. La corriente se mantendrá a 1.25 A como se comprueba a partir de la

Ilustración 21.

45

Ilustración 26: Gráfica de voltaje según el nivel de carga

2.5 Inversor

Ilustración 27: El inversor permitirá obtener una salida a 110 V, 60 Hz


Probablemente, el inversor es la parte más compleja del proyecto a primera vista. Un inversor

es un elemento de electrónica de potencia que, a grandes rasgos, convierte una señal

continua en una alterna, es decir, se trata de un conversor DC-AC.

Un inversor es usado en múltiples ámbitos como motores eléctricos con control de velocidad,

fuentes de energía ininterrumpidas o aplicaciones de energía alterna desde una batería de

un coche.

46

Ilustración 28: Esquema típico de un inversor de Puente integral

Existen múltiples configuraciones para lograr el objetivo de conseguir una onda alterna a

partir de una fuente de continua, pero un esquema sencillo y accesible, el cual se usará en

este proyecto es el presentado en la Ilustración 23.

El principio de funcionamiento consiste en alternar los interruptores dos a dos de forma que

en cada ciclo la carga vea una tensión positiva durante la mitad y negativa durante la otra

mitad. De esta forma se consigue una señal de salida cuadrada de tensión alterna.

De esta forma, como se explica en la Ilustración 24, cuando los interruptores S1 y S2 están

activos, la tensión a través de la carga es Vdc mientras que cuando son S3 y S4 los que se

activan, la tensión a través de la carga, tomando el mismo criterio, será –Vdc.

Para analizar lo que sucede a la corriente que fluye por la carga y la energía consumida por

la misma, se hará uso de la herramienta de la serie de Fourier. Sin componente continua en

la salida la tensión y corriente se pueden escribir como:

𝑣𝑜(𝑡) = ∑𝑉𝑛sin(𝑛𝜔𝑜𝑡 + 𝜃𝑛)

∞

𝑛=1

(20)

𝑖𝑜(𝑡) = ∑𝑉𝑛sin(𝑛𝜔𝑜𝑡 + 𝜑𝑛)

∞

𝑛=1

(21)

De la forma también se puede escribir la potencia consumida por la carga como se muestra

en la siguiente ecuación:

𝑃 = ∑ 𝐼𝑛2𝑟𝑚𝑠

𝑅

∞

𝑛=1

(22)

donde

47

𝐼𝑛2𝑟𝑚𝑠

= √∑(𝐼𝑛

√2)2∞

𝑛=1

(23)

Y en el caso de una onda cuadrada, las series de Fourier contienen los armónicos impares

y se puede escribir la tensión de salida como:

𝑣𝑜(𝑡) = ∑4𝑉𝑑𝑐𝑛𝜋

sin𝑛𝜔𝑜𝑡

∞

𝑛=1

(24)

Como se ha mencionado anteriormente, el esquema que se usará en este proyecto es el de

un inversor de puente integrado como se muestra en la siguiente Ilustración.

Ilustración 29: Esquema del inversor

Se usarán cuatro MOSFET que actuarán de forma complementaria dos a dos para producir

una tensión alterna cuadrada en el lado primario del transformador representado en la

imagen como L4.

2.5.2 Simulaciones

Se llevó a cabo la simulación del inversor mostrado en el esquema mediante el software

matemático Matlab. Se programaron los MOSFET de forma que la señal que le llega a la

carga sea similar a un PWM que actúe como una señal sinusoide en el transformador. Los

resultados se muestran en la siguiente Ilustración.

48

Ilustración 30: Tensión a la salida del inversor

2.6 Placa de circuito integrado


Para promover la manejabilidad y la capacidad del módulo de la batería de ser portátil y

poder usarse, una vez que la batería está cargada, de forma remota a la turbina eólica que

alimenta la batería, todo el diseño se ensamblará en una placa con un circuito integrado de

unas dimensiones diminutas que, además, mejoran las prestaciones ofrecidas por una

breadboard que no llega a las características requeridas para este proyecto.

Con el fin de hacer probaturas y estudiar por partes el correcto funcionamiento del proyecto

global, se separarán las partes dentro de la placa y se interconectarán mediante cables

externos que no disturben en gran medida el orden del diseño.

El software que se empleará para el diseño de los circuitos y las conexiones es la versión

7.5.0 de EagleCad, un programa informático de diseño que permite escoger entre una gran

variedad de elementos estandarizados y ajustarlos en una base que a continuación se

construirá por el fabricante (en este caso la propia tienda de la universidad).

49

El proceso se basa en un diseño inicial de lo que se conoce como un esquema, en el que de

forma gráfica se colocan los elementos interconectados de forma que representen el circuito

que se colocará después en la placa. Una vez que el esquema toma forma y las conexiones

se han llevado a cabo de forma lógica y ordenada se procede a darle forma en lo que se

conoce como la board. En esta, los elementos se representan tal y como su forma real indica.

Las conexiones se mantendrán tal y como se diseñaron en el esquema y las dimensiones

de la placa se podrán ajustar de forma que dé cabida a todos los elementos necesarios

asilándolos con unos márgenes de seguridad.

Una vez que se colocan los elementos y siguiendo las conexiones ya establecidas, se

procede a construir lo que se conoce como trazas. Consiste en crear las sendas por las que

circulará la corriente en la realidad y ajustar el grosor según la intensidad en cada caso. Para

una intensidad grande, como la que circulará por el circuito principal, se escogerá un grosor

de 127 micras, mientras que para circuitos auxiliares por donde la intensidad será muy baja,

se podrá reducir ese grosor a escasas micras.

Una de las ventajas que ofrece este software es que se pueden diseñar trazas en las dos

partes de la placa, por encima y por debajo. Esto permite que conexiones muy agrupadas

que necesitan sobreponerse pero pueden suponer un cortocircuito si lo hacen, puedan

ejecutarse en la parte inferior y cruzarse sin peligro alguno.

Por último, se creará una tierra común para la placa con el fin de reducir al máximo el número

de trazas y mejorar las prestaciones que ofrecerá la placa una vez construida.

Las partes que se construirán en la placa serán el rectificador, el inversor, el conversor DC-

DC y el cargador de la batería.

2.6.2 Diseño de los esquemas

Cada parte se diseña por separado, pero en el mismo archivo para luego poder juntarse en

una misma placa.

A continuación se muestran los esquemas en EagleCad de las diferentes partes que se

ensamblaran en la placa:

50

Ilustración 31: Esquema del rectificador trifásico en Eagle

Ilustración 32: Esquema del conversor DC-DC en Eagle

51

Ilustración 33: Esquema del inversor en Eagle

Ilustración 34: Esquema del cargador de la batería en Eagle

52

2.6.3 Diseño de la placa

Una vez establecidos los esquemas se trabajará en el menú board. Los elementos han de

colocarse dentro de las dimensiones establecidas para la placa y se ordenarán de forma que

las trazas respeten una distribución acorde a la circulación de intensidad en el circuito global.

A continuación se muestran imágenes del diseño final de la placa base desde el menú board.

Ilustración 35: Menú board en Eagle

La Ilustración 27 muestra el menú board del software EagleCad. En él, los elementos

dispuestos en los esquemas se colocan por orden de selección fuera de la placa base que

la delimita el polígono de cuatro lados de la zona superior de la imagen. El objetivo es

ordenar y disponer de forma adecuada todos los elementos dentro de ella para conseguir

reducir la distancia entre elementos pero asegurando un margen de seguridad.

En la Ilustración 28 se representa la placa una vez reorganizada y colocada de forma lógica

minimizando al máximo la distancia de las trazas (aunque en la imagen se han suprimido).

La zona superior izquierda se corresponde con el rectificador trifásico; la zona superior

derecha la ocupa todo el circuito del inversor; abajo a la derecha está ocupado por el

cargador de la batería y por último, la zona inferior izquierda es donde se sitúa el conversor

DC-DC.

53

Ilustración 36: Vista completa de la placa organizada

Una vez que los elementos se han colocado dentro de la placa y se han organizado siguiendo

un orden lógico, se procede a diseñar las trazas. Para ello se unen los elementos siguiendo

las indicaciones que el propio software ofrece y manejando las trazas de la parte superior e

inferior al criterio del diseñador para que no se superpongan dos trazas.

La Ilustración 29 representa esto último; la implementación de las trazas tanto de la parte

superior (en rojo) como de la inferior (en azul) sin que haya ninguna superposición de las

mismas. Una herramienta muy útil que presenta el programa es el buscador de errores ERC

que, siguiendo unas indicaciones concretas dispuestas por el diseñador, detecta potenciales

errores que pueden suponer fallos en el circuito una vez que la placa cobra vida.

Por último se añaden las vistas inferior y superior, respectivamente, de la placa junto con

sus planos de tierra comentados anteriormente.

54

Ilustración 37: Diseño definitivo de la placa base

55

Ilustración 38: Vista inferior de la placa

56

Ilustración 39: Vista superior de la placa

57

3-. Resultados

En esta sección se discutirá la puesta en práctica del proyecto, lo que incluye las

complicaciones que han ido surgiendo durante las pruebas, los éxitos que han sucedido y

las partes que por alguna razón (se concretará) no han podido salir adelante y se proponen

como futuro trabajo en la continuación del proyecto.

3.1 Rectificador

3.1.1 Procedimiento

El rectificador trifásico se probó en el laboratorio de Power Electronics por la necesidad de

una fuente trifásica que lo alimentara. Se conectó la fuente a un Variac y la salida a los

fusibles de la entrada del rectificador. Se fue aumentando la tensión de entrada

paulatinamente hasta alcanzar los 9 V entre fase y tierra que se suponían teóricamente en

el motor a las 240 rpm estipuladas. Se conectó el sistema a un osciloscopio para medir la

tensión de salida en la carga y al vatímetro que la banca trifásica incorporaba para comprobar

que la intensidad se ajustaba a los valores esperados.

3.1.2 Resultados

Las siguientes ilustraciones muestras imágenes tomadas, primero del vatímetro que posee

la propia banca trifásica y que mide, en este orden, tensión simple, intensidad de línea,

potencia por cada línea y factor de potencia; y por otro lado del osciloscopio, que mide la

tensión a través de la carga colocada a la salida del rectificador.

Ilustración 40: Medidas a la entrada del rectificador Ilustración 41: Medidas a la salida del rectificador

58

Ilustración 42: Tensión de la carga

3.1.3 Valoración

Se comprueba como los valores medidos coinciden con las especificaciones que se

supusieron en el apartado de diseño. Con 9 V a la entrada como tensión simple se obtiene

una señal de salida con una media de 21 V. Además, el rizado entra dentro de los

requerimientos propuestos al inicio, siendo de 2 V, una cantidad que se puede eliminar por

completo con el control iterativo que se implementará en el siguiente paso: el conversor DC-

DC.

A partir de los números obtenidos de forma experimental, se procede al cálculo de la

eficiencia que este rectificador trifásico mantiene:

𝜂 =45.048

16.498𝑥3= 91.017%

(25)

Esta eficiencia se considera alta, dado que las únicas pérdidas que se producen son por el

efecto Joule de cables y demás elementos y por las pérdidas debido a la caída de tensión

en los diodos del puente integrado.

22.2 V

20.2V

21 V

59

3.2 Conversor DC-DC

3.2.1 Procedimiento

Se conectó el conversor a una fuente de energía externa ajustada a 20 V para simular lo que

sería la salida del rectificador en condiciones ideales. La señal PWM se obtendrá, de

momento, desde un generador de señales ideal y el ciclo se ajustará al 75% de forma que a

la salida se obtengan los teóricos 15 V que se necesitan para cargar la batería. Además, se

alimentará al DRIVER con 12 V generados desde la segunda salida de la misma fuente de

tensión.

3.2.2 Resultados

Se tomaron capturas de las medidas tomadas por la propia fuente de energía. Para prevenir

intensidades altas, en esta prueba intermedia se usó una resistencia para colocarla como

carga de 37 Ω y como se comprueba, la intensidad que circulas es apenas 0.3 A. La segunda

captura se corresponde con el osciloscopio que mide la salida del conversor y que simula la

entrada a la batería.

Ilustración 43: Medidas de la fuente de energía

60

Ilustración 44: Medida del osciloscopio a la salida del conversor

3.2.3 Valoración

Con un ciclo del 75% se espera una tensión de salida de 15 V y se comprueba cómo, según

las medidas que muestra el osciloscopio, la tensión de salida se queda en escasos 12.75 V.

Esto puede suponer un serio riesgo si lo que se coloca a la salida no es una resistencia sino

una batería. Un nivel insuficiente de voltaje para cargarla puede llevar a condiciones

peligrosas y al malfuncionamiento de la misma.

Es por lo explicado antes, que se hace imprescindible un control que mantenga el ciclo al

valor necesario, ya que el valor teórico es inadecuado y además, logre estabilizar la tensión

de salida ante cualquier perturbación externa.

Basando los cálculos en resultados experimentales, se puede estimar la eficiencia que este

conversor mantiene, mediante la siguiente ecuación:

𝜂 =12.7452/37

20.0𝑥0.247= 88.9%

(26)

La potencia de salida se calcula como la tensión de salida al cuadrado entre la carga,

mientras que la potencia de entrada se calcula a partir de la tensión e intensidad medidas

en la fuente de energía.

61

3.3 Microcontrolador

3.3.1 Procedimiento

En primer lugar se montó un circuito auxiliar muy simple, basado en dos resistencias y un

condensador para la comprobación de que Arduino es capaz de leer de forma correcta la

tensión de salida cuando esta es mayor de 5 V, mediante un divisor de tensión.

Una vez comprobado el corrector funcionamiento de este circuito auxiliar, se conectó al

conversor y este, al generador de señales de forma que la entrada sea una señal compuesta

con 21 V de corriente continua junto con una señal alterna de 1 V de amplitud, de forma que

se simule el efecto del rizado que se obtiene por efecto del rectificador trifásico.

3.3.2 Resultados

Se siguió el siguiente orden para la toma de medidas: en primer lugar se probó con la señal

compuesta explicada antes para comprobar el funcionamiento del control y en segundo lugar

se bajó la componente continua de la señal de 21 V a 17 V para ver la modificación del ciclo

del PWM. Los resultados se muestran en las dos ilustraciones que prosiguen a este párrafo.

Ilustración 45: Tensión de salida con 21 V de componente continua

15.051 V

62

Ilustración 46: Tensión de salida bajando a 17 V de componente continua

3.3.3 Valoración

En primer lugar, lo que más llama la atención de las medidas tomadas en la sección anterior

es cómo el control funciona de manera óptima. Ante una perturbación el control es capaz de

ajustar los parámetros oportunos para mantener en 15 V constantes la salida.

Además, incluso cuando la tensión baja de manera brusca desde 21 V hasta 17 V de

componente continua, obligando al ciclo a colocarse en más del 85%, el control es capaz de

ajustarlo a la perfección y mantener esos 15 V continuamente.

Otro detalle es la mejora de la eficiencia en casi un 1% como se obtiene de la siguiente

ecuación:

𝜂 =15.1282/30

20.01𝑥0.426= 89.5%

(27)

Como valoración final se puede declarar que el bloque compuesto por el conversor DC-DC

y el microcontrolador es un éxito y que funciona a la perfección.

3.4 Inversor

3.4.1 Procedimiento

Para el inversor, en primer lugar se diseñó un circuito auxiliar usando una puerta lógica de

forma que se consigan dos señales PWM invertidas y cuando una sea LOW la otra sea HIGH

y viceversa, para conseguir que los MOSFET actúen de forma complementaria. Una vez que

se tienen los dos PWM trabajando como deben, se conectan a los DRIVER de los MOSFET

y como carga se colocará, primeramente, una simple resistencia. Una vez que la tensión de

salida sea una onda cuadrada, se conectará el transformador y se medirá la tensión en el

lado de alta.

3.4.2 Resultados

Se tomaron capturas del osciloscopio que medía la tensión de la carga cuando se conectó

el transformador a la salida y se muestran en la siguiente Ilustración:

15.128 V

63

Ilustración 47: Tensión de salida en el lado de baja del trafo

3.2.3 Valoración

La señal del lado de baja coincide con lo esperado; una onda cuadrada de 12 a -12 V con

frecuencia 60 Hz. Sin embargo, al conectar el transformador y medir el lado de alta no se

obtiene la señal que debería y no funciona correctamente.

Por ello la valoración final no es del todo exitosa y deberá ser propuesta una solución en la

próxima sección de conclusiones.

11.719 V

-11.875 V

64

4-. Conclusión

4.1 Resumen final Se llegó a la conclusión del proyecto con la valoración clara de que se ha llenado un vacío

en el itinerario eléctrico de ICAI. Conocer fundamentos de electrónica de potencia es de gran

utilidad, ya que mueven grandes campos en el mundo de la ingeniería electromecánica.

Es por ello que este proyecto ha contribuido a la formación académica en gran medida, pues

ha servido para, no solo adquirir conocimientos teóricos del ámbito, sino también para

ponerlos en práctica con un diseño que cobra vida y se pueden hacer simulaciones y

comprobaciones por igual usando herramientas el mundo ingenieril.

En general, han sido más las valoraciones y los resultados positivos que han permitido

adquirir una idea completa del diseño y han sido algunos aspectos concretos, únicamente,

los que no han salido como dictaba la teoría. Por consiguiente, se añade una sección más

adelante acerca del trabajo futuro y de las posibles soluciones para esas minucias que no

han resultado exitosas.

4.1.1 Éxitos

En cuanto a los resultados que han sido logrados de forma eficaz en el proyecto se puede

destacar la integración casi completa tanto del rectificador trifásico junto con el conversor y

el control, lo que connota a la parte que influye en la carga de batería como satisfactoria.

En el lado de descarga, el inversor funciona correctamente; los puertos USB y las salidas

son capaces de alimentar cualquier elemento electrónico que se conecte a ellas; el medidor

de batería se ajusta a la tensión en cada etapa del proceso de carga de la batería.

En resumen, el proyecto, casi al completo, tiene funcionalidad, ejecuta las funciones que se

le supone, integra los componentes que lo componen, cumple con la inmensa mayoría de

requisitos planteados al inicio del proyecto como se puede estudiar en el Anexo C, carga la

batería con seguridad, está dotado de la portabilidad que se planteó en el inicio y sobre todo

es capaz de alimentar equipos electrónicos que se conectan en las diferentes salidas de las

que se ha dotado.

4.1.2 Incertidumbres

Sin embargo, hay algunos aspectos que por varias razones no fructificaron y se quedaron

sin ser efectivas en el diseño definitivo.

En primer lugar, no se consiguió implementar el cargador de la batería en la placa. Se

demostró su funcionalidad en la breadboard básica, haciendo cargar la batería en

condiciones de seguridad, pero al soldar los elementos en la placa no se pudo completar. El

trabajo de soldadura que se requiere para integrar los elementos en la placa es minucioso y

muy vulnerable a cualquier error que, por mínimo que sea, puede arruinar el resto del circuito.

Este ha sido el fundamental problema en este apartado.

65

Además, el transformador no logró ser del todo eficaz para conseguir los 110 V, 60 Hz. Sí

que se logró una señal cuadrada alterna que alimentaba los dispositivos electrónicos, pero

el proceso de carga no era el adecuado y se dejó de cargarlos para evitar daños internos.

La solución a este problema es añadir un filtro a la entrada del transformador que mejore la

distorsión armónica de la onda cuadrada y permita al transformador elevar la tensión de

forma más segura.

4.2 Trabajo futuro Una última sección dentro de la conclusión y valoración final del proyecto debe estar

dedicado al futuro del proyecto; a la continuación que debe darse a este diseño y que

permitirá globalizar una idea que, a priori, puede ser revolucionaria en el campo de la

electrónica de potencia.

En primer lugar, el aspecto fundamental en el que más investigación se propone es en el de

devolver energía a la red. Para conseguir esto hay que cumplir unas determinadas

características y, en especial, sincronizarse a la frecuencia de la red. Una vez hecho esto,

las posibilidades que se abren son inmensas. La energía sobrante de cargar la batería e

incluso la energía generada cuando la batería está liberada de forma portátil, puede ser

devuelta a la red y cobrar para recuperar poco a poco la inversión inicial del proyecto.

Ilustración 48: El Net Metering permite devolver energía a la red

Otro aspecto a tener en cuenta en el proyecto es el ajuste de la turbina eólica. Si bien es

cierto que la suposición inicial son los 9 V a la entrada de este sistema a una velocidad de

240 rpm del motor, se puede, perfectamente, aumentar la velocidad del motor para aumentar

la tensión de entrada sin comprometer en ningún momento la seguridad de las personas.

Esto permitirá introducir mucha más energía en el sistema, lo que facilitará la carga de la

batería e instará a desarrollar un proyecto nuevo que cubre una gama más amplia de

necesidades domésticas a nivel electrónico.

66

Por último, se propone el diseño de un elemento que acoja todo el sistema electrónico de

potencia explicado aquí, junto con las propuestas de investigación, tal como una caja de

plástico o de otro material que no comprometa la conductividad de los circuitos internos pero

que abarque el sistema completo para incrementar su manejabilidad y portabilidad.

La construcción hasta ahora de los elementos se realizó de forma aislada y sin aunarlos todo

en un continente común. Es por ello que para su comercialización se insta al desarrollo de

un elemento industrializable que se pueda construir en serie en cadenas de montaje en la

industria moderna de la electrónica e potencia.

67

5-. Referencias



http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_the_lead_acid_battery. Accessed February 2016.







http://www.mathworks.com/help/physmod/sps/examples/dc-dc-and-dc-ac-pwm-converters.html.

Accessed March 2016.




http://www.instructables.com/id/Arduino-based-Switching-Voltage-Regulators/. Accessed April 2016.



[9] How to Design an Inverter, web page. Available at: http://www.homemade-circuits.com/2013/03/how-

to-design-inverter-basic-circuit.html. Accessed April 2016.

[10] IEEE Code of Ethics, web page. Available at: http://www.ieee.org/about/corporate/governance/p7-

8.html. Accessed March 2016.











68

6-. Agradecimientos Este apartado se centra en el reconocimiento a todas las personas de “University of Illinois

at Urbana-Champaign” sin las que este proyecto no se hubiese podido llevar a cabo y que

aportaron su paciencia y colaboración hacia el éxito de este diseño. En especial se reconoce:

1. Kevin Colravy: investigador del departamento de Power Electronics que controla el

laboratorio eléctrico para la realización de todas las pruebas que se llevaron a cabo.

Sin su ayuda y su consejo en muchos de estos intentos no se hubiese dispuesto de

una fuente trifásica ni de fusibles especiales ni elementos imprescindibles para el

correcto funcionamiento del proyecto.

2. Zitao Liao: experto en el área de Power Electronics, su consejo sirvió para descartar

varios diseños en el inversor y a hacer funcionar el conversor DC-DC de la mejor

forma posible. El MOSFET DRIVER es, en gran parte, mérito suyo.

3. Katherine O´Kane: como directora de nuestro proyecto, Katherine ha sido una pieza

fundamental en el progreso y dedicación semana a semana con su apoyo constante

y sus incontables aportes al desarrollo del proyecto. Especializada en el área de

control, el diseño del código y la implementación apropiada en el conversor DC-DC

se debe en parte a su conocimiento técnico de este campo.

4. Jackson Lenz: como asistente de profesor en la universidad, Jackson aportó todo el

apartado de seguridad. Este proyecto requiere de grandes medidas de prevención y

de seguridad por contar con una batería, la cual debe ser tratada mediante un

protocolo determinado que él proporcionó. La toma de decisión del tipo de batería y

el cargador adecuado para su correcto proceso de carga fue gracias a él.

5. Thomas Galvin: como profesor encargado de la asignatura, Thomas aportó

perspectivas diferentes, puntos de vista distintos y alternativas a los enfoques iniciales

para dotar al proyecto de un enriquecimiento imposible sin su ayuda.

6. Jonathan Makela: como jefe de departamento y de asignatura, fue el primer en instar

a la consecución de este proyecto. Se mostró atento, especialmente sabiendo de la

necesidad de tener un proyecto para España e hizo lo imposible por conseguir que

reinase la comodidad y se lograra un éxito rotundo con el que regresar a ICAI.

Por último, se reconoce el esfuerzo por parte de toda la universidad de proveer a estudiantes

e investigadores con las mejores de las facilidades e instalaciones posibles que hacen que

69

la “University of Illinois at Urbana-Champaign” esté en el elenco de las mejores universidades

en ingeniería a nivel mundial.

DOCUMENTO Nº 2:

ANÁLISIS DE SEGURIDAD Y

RIESGOS

Contenido

1-. Introducción ................................................................................................................................................. 74

2-. Seguridad ...................................................................................................................................................... 74

2.1 Banco trifásico ......................................................................................................................................... 74

2.2 Batería ..................................................................................................................................................... 74

2.3 Transformador ......................................................................................................................................... 75

2.4 Salidas al usuario ..................................................................................................................................... 75

74

1-. Introducción

Este Proyecto está desarrollado de forma que todos los elementos funcionen respetando

unas condiciones estrictas de seguridad y de forma que no suponga ningún riesgo para el

usuario el hecho de interactuar con la caja de baterías y poder favorecerse de la portabilidad

del diseño de la forma más segura posible.

Por ello, se discutió en primer lugar, los focos de riesgo potencial, es decir, aquellos sistemas

que, por diferentes causas, puedan suponer un riesgo a tener en cuenta y que debe de

hacerse un esfuerzo extra para lidiar con ellos.

Se concluye que dichos focos de riesgo se sitúan en el banco trifásico, la batería, el

transformador y las salidas a las que tiene acceso el usuario (USB, enchufes etc).

2-. Seguridad

2.1 Banco trifásico El riesgo de manejar el banco trifásico se encuentra al manejar corrientes de hasta 3 A que

pueden suponer la muerte cuando no se siguen unas condiciones de seguridad básicas. Por

ello es conveniente aplicar unas normas básicas y unas soluciones para este problema.

Este riesgo se solventó mediante tres fusibles colocados a la salida del banco, limitados a 6

A que, en caso de cortocircuito peligroso o cualquier situación que pueda poner en riesgo la

integridad de las personas humanas, actúen para soliviantar el problema y asegurar la

protección de los participantes.

2.2 Batería Sin duda alguna, la batería es el foco de riesgo fundamental de este proyecto. El

malfuncionamiento de la batería, así como el proceso de carga de la misma puede derivar

en la liberación de elementos tóxicos al ambiente, fuego o incluso en ciertas condiciones,

explosión.

Una vez identificados los riesgos del mal uso de una batería, se procede a prevenirlos

aplicando las alternativas que más convengan en cada situación.

En primer lugar, todo aquel proyecto que lidie con el proceso de carga o descarga de una

batería deberá pasar primero un examen de seguridad, de forma que los participantes

reconozcan haber entendido los posibles riesgos que conlleva el tratamiento de una batería

sea del tipo que sea. Dicho examen se adjunta en el Anexo.

Entre las pautas más importantes que se pueden destacar de ese informe están:

1. Justificar al departamento que el proyector requiere de una batería

2. Determinar los componentes químicos que compondrán la batería

3. Obtener documentos de seguridad. En este caso, obtener el MSDS y el datasheet de

la batería.

75

4. Buscar un cargador de batería comercial. En este caso el LT 1513

5. Simular el circuito en LTSpice

6. Lograr la aprobación por parte de tu director de proyecto

7. Crear el circuito en una protoboard y validar el funcionamiento sin batería

8. Realizar la prueba con la batería delante de tu director de proyecto

2.3 Transformador El principal riesgo que supone el transformador es el alto voltaje que existe en el primario.

En concreto el lado de alta está a 115 V, 60 Hz por lo que necesita unas condiciones de

seguridad y protección. Las características completas del transformador que se usará en

este proyecto se añaden en el Anexo D.

Cada prueba que involucrara el uso del transformador fue llevada a cabo en presencia de

un experto en el área que supervisara las conexiones y se asegurase que ningún elemento

se comprometía debido al alto voltaje. Además, a la salida del transformador se colocó un

fusible con intensidad nominal de 1 A que actuase en caso de necesidad.

2.4 Salidas al usuario El último foco de riesgo del proyecto tiene lugar a la salida del sistema, en los elementos con

los que el usuario interactúa con la caja de baterías y conecta sus dispositivos electrónicos

para aprovechar la energía almacenada.

Los puertos USB trabajan a 5 V y no consumen más de 0.2 mA por lo que su seguridad se

basa exclusivamente en el aislamiento de partes activar que puedan suponer un cortocircuito

o la exposición a tensión directa.

Los enchufes que se disponen funcionarán a 110 V, 60 Hz como maneja la red en Estados

Unidos. Un alto voltaje que necesita algún sistema de protección. La ventaja es que los

enchufes han sido elegidos dentro de un catálogo comercial y ya llevan inherentes un

sistema de aislamiento y otro de limitación de corriente que hace seguro su uso en todo

momento.

El indicador de batería funciona con intensidades mínimas y no necesita de un especial

cuidado en términos de seguridad. De todas formas también llevo consigo un aislamiento

eléctrico que lo protege y lo hace ajeno a exposiciones peligrosas.

DOCUMENTO 3:

PRESUPUESTO

Contenido

1-. Inversión inicial ............................................................................................................................................. 81

2-. Coste de los elementos ................................................................................................................................ 82

3-. Mano de obra ............................................................................................................................................... 83

80

En este documento se presentará un análisis detallado de los aspectos económicos; desde

la inversión inicial, hasta el coste de la mano de obra para calcular la estimación del

presupuesto del proyecto. En cuanto a la inversión inicial, se tendrá que cubrir el gasto del acomodamiento del lugar

para situar los elementos necesarios. Se dispondrá de una serie de cables subterráneos que

conecten la turbina eólica, que se situará en la zona exterior, con la caja de baterías, en las

que se ha centrado este informe, que se presupone en el interior. Además se costearán los

elementos que integran la caja de baterías, estimándose en $153.

Por la otra parte, para cubrir la mano de obra se asumirá un salario medio por hora de $30,

un número de horas estimado para el desarrollo del proyecto se estimarán en 150 y por

último, existirá un factor multiplicador de 2.5 que incluye los beneficios del ingeniero por el

diseño de este proyecto junto con el costo de la mano de obra para la instalación del

proyecto.

81

1-. Inversión inicial

La siguiente tabla recoge la inversión inicial del proyecto para su acomodamiento.

Elemento Precio unitario ($) Cantidad Total ($)

Cables de conexión 1.24 4 4.96

Fusibles 0.75 6 4.50

Recipiente del sistema 16.65 1 16.65

Equipo de excavación 124.35 1 124.35

Lo que hace que el presupuesto inicial para este proyecto sea de $150.46

82

2-. Coste de los elementos

El coste de los elementos viene detallado en la siguiente Ilustración:

Module Item Part Number Vendor Unit cost $ Quantity Total cost $

Rectifier Schottky diode SB360‐E3/54 DIGIKEY 0.50 6 3.00

Inductor DENO‐23‐0001 DIGIKEY 3.38 1 3.38

Capacitor UVR1E472MHD DIGIKEY 1.43 1 1.43

Fuse SSQ5 DIGIKEY 0.37 3 1.11 Fuse Holder BK/1A5600 DIGIKEY 0.64 3 1.92

Rectifier Total 10.84

Buck converter Mosfet IRF520PBF DIGIKEY 0.95 1 0.95

Mosfet driver IRS2183STRPBF DIGIKEY 1.16 1 1.16

Driver diode SB360‐E3/54 DIGIKEY 0.50 1 0.50

Driver capacitor T350A105K035AT7301 DIGIKEY 0.24 2 0.48

Buck diode SB360‐E3/54 DIGIKEY 0.50 1 0.50

Inductor 70F204AI‐RC DIGIKEY 1.26 1 1.26

Output capacitor 35ZLH100MEFC6.3X11 DIGIKEY 0.30 5 1.50

Load Resistor SQP500JB‐30R DIGIKEY 0.56 1 0.56

Measure capacitor TAP106M025CRW DIGIKEY 0.38 1 0.38

Measure resistor RNMF14FTC3K00 DIGIKEY 0.10 1 0.10 Measure resistor CF14JT27K0 DIGIKEY 0.10 1 0.10

Buck converter Total 7.49

Inverter Mosfet IRF520PBF DIGIKEY 0.95 4 3.80

Mosfet Driver IRS2183STRPBF DIGIKEY 1.16 4 4.62

Driver Diode SB360‐E3/54 DIGIKEY 0.50 4 2.00

Driver Capacitor T350A105K035AT7301 DIGIKEY 0.24 8 1.92

Not Gate SN74LS04N DIGIKEY 0.69 1 0.69 Transformer F260‐U TRIAD MAGNETICS 42.00 1 42.00

Inverter Total 55.03

Microcontroller Arduino Uno ECE SHOP 23.00 1 23.00

Microcontroller Total 23.00 Battery charger Capacitor input/output 50YXJ22MTA5X11 DIGIKEY 0.51 2 1.02

Capacitor pin 3 UVR2AR22MDD DIGIKEY 0.23 1 0.23

Capacitor pin 5 400PX4R7MEFCTA8X11.5 DIGIKEY 0.46 1 0.46

Resistor pin 1 CFM12JT270R DIGIKEY 0.10 1 0.10

Resistor pin 3 CFM12JT39R0 DIGIKEY 0.10 1 0.10

Resistor pin 2 CW0054K000JE73 DIGIKEY 0.41 2 0.82

Resistor 0.08 Ohms MSR3‐0R08F1 DIGIKEY 0.91 1 0.91

Diode SB360‐E3/54 DIGIKEY 0.50 1 0.50

Inductor CTX10‐3‐R MOUSER 6.54 1 6.54 LT1513 LT1513IR#PBF LINEAR TECHNOLOGY 0.00 1 0.00

Battery charger Total 10.68

Battery bank Battery gauge PRO36FRC AMAZON 16.00 1.00 16.00

USB ports BT‐081‐0158 ADV.DESIGNS 10.00 1.00 10.00 12 V Battery 35Ah BSL1075 RAKUTEN 19.59 1.00 19.59

Battery bank Total 45.59

Grand Total 152.63

83

3-. Mano de obra

Se incluirá en la siguiente tabla el coste correspondiente tanto para el ingeniero que diseña este proyecto

como para la mano de obra que se encarga de la instalación del dispositivo.

NOMBRE SALARIO POR HORA NÚMERO DE HORAS TOTAL = SALARIO POR HORA*2.5 *NÚMERO

DE HORAS

Marcos Rived $30 150 $11,250

TOTAL $30 150 $11,250

De esta forma, el presupuesto total del sistema electrónico de potencia para una turbina

eólica asciende a $11,553.09

DOCUMENTO Nº 4:

TÉRMINOS ÉTICOS

1-. Consideraciones

Este proyecto se ha llevado a cabo en dirección a los intereses de la mayoría y hacia un

futuro donde la energía renovable ocupe una plaza de relevancia en el uso diario. Se busca

proponer una forma de acceso a energía para personas que, por múltiples razones, no

pueden tener acceso a una red eléctrica para abastecerse en ese momento. Una aplicación

interesante es para países en vías de desarrollo sin una red a nivel regional o nacional y que

son dependientes de generadores aislados. Esta idea cubre esas necesidades y la intención

legítima es dar una solución a un problema común.

De la misma forma, se busca que esas personas vivan en un ambiente que no les prive de

usar aparatos, electrodomésticos u otros usos que requieren de energía eléctrica ara

funcionar. Todo esto se aferra inequívocamente al “IEEE Code of Ethics” que se añade en

el Anexo E y cuyo primer apartado afirma:

“to accept responsibility in making decisions consistent with the safety, health, and

welfare of the public, and to disclose promptly factors that might endanger the public

or the environment”

Este Proyecto se caracteriza por ser de confianza y eficiente. Esto incluye la transparencia

de enseñar al usuario la cantidad de energía restante en la batería, así como la certeza de

que los elementos se han ensamblado de forma que no hay ningún comportamiento extraño

y que todos los elementos duran lo que se estipula teóricamente.

Además, las lecturas de información al usuario serán de la máxima precisión y calidad de

forma que no caigan en error bajo presión. Esto está conforma a la regla número 3:

“to be honest and realistic in stating claims or estimates based on available data”

Este concepto, junto con la concepción del aprovechamiento de energía eólica, es un campo

de mucha investigación y que centra gran atención en el entendimiento a gran escala, pero

no tanto a pequeña escala como es el propósito de este proyecto: hacer de la energía eólica

un bien de uso doméstico y extendido globalmente.

A medida que este proyecto se presenta, futuras generaciones se beneficiarán de todo el

trabajo y el desarrollo expuesto para proseguir en el objetivo de un futuro de energía limpia.

Esto responde ante la regla número 5:

“to improve the understanding of technology; its appropriate application and potential

consequences;”

Se declara en esta sección la apropiada intencionalidad de todas las decisiones que han ido

surgiendo durante el desarrollo de este proyecto sobre todo en las elecciones en cuanto a

aspecto de diseño de elementos. Esto necesitó de críticas constructivas y consejo por parte

de algunas fuentes tales como profesores, investigadores, libros etc. Como ejemplo de

consulta se cita al investigador de electrónica de potencia Kevin Colravy y al experto en el

mismo campo Zitao Liao.

Solo en el caso de que el trabajo sea aprobado por aquellos especialistas en la materia, se

podrá evaluar este proyecto como un éxito. Esto responde ante la regla número 7:

“to seek, accept, and offer honest criticism of technical work, to acknowledge and

correct error and to credit properly the contributions of others.”

Por último, se considera un Sistema apto para todo aquel que lo necesite. Por lo tanto no se

discriminará y/o se hará preferencia de ningún modo. El objetivo último del diseño es ayudar

a la gente, independientemente de las circunstancias que lo acompañen. Esto responde ante

la regla número 8:

“to treat fairly all persons and to not engage in acts of discrimination based on race,

religion, gender, disability, age, natural origin, sexual orientation, gender identity, or

gender expression;”

DOCUMENTO Nº 5:

ANEXOS

ANEXO A: Datasheet DRIVER IRS 2183

ANEXO B: Código Completo del control

//Timer del PWM

#define TIMER_TOP_1 100 // f=(F_CPU/TIMER_TOP_1)

// Máximo ciclo

#define MAX_DUTY_0A 0.95

//Referencia

const int desiredFeedbackVoltage = 1000;

const float percentVoltage = desiredFeedbackVoltage/1100.0;

const int desiredFeedback = percentVoltage*1023;

// Incialización

const int minOutput = 0;

// Resolución

#define TIMER_RESOLUTION_0 255

#define TIMER_RESOLUTION_2 255

//Máximo valor del PWM

const int maxOutput0a = TIMER_RESOLUTION_0 * MAX_DUTY_0A;

int output0a;

int feedback0a;

#define FEEDBACK_PIN_0A 0

void setup()

TCCR0A = _BV(COM0A1)|_BV(COM0B1)|_BV(WGM01)|_BV(WGM00);

analogReference(INTERNAL);// Referencia interna a 1.1 V

//Inputs

pinMode(FEEDBACK_PIN_0A,INPUT);

pinMode(6,OUTPUT);

// Inicializar el ciclo

OCR0A = minOutput;

ICR1 =TIMER_TOP_1;

void loop()

// Lecturas

feedback0a = analogRead(FEEDBACK_PIN_0A);

output0a= setOutput(output0a,feedback0a,maxOutput0a);

// Actualizar

OCR0A =output0a;

// Ejecutar

int setOutput(int currentOutput,int feedback,int maxOutput)

if(feedback > desiredFeedback && currentOutput >minOutput)

currentOutput--;

else if(feedback < desiredFeedback && currentOutput <maxOutput)

currentOutput++;

return currentOutput;

ANEXO C: OBJETIVOS

Requirement Verification Points

1-. Rectifier

Input: three-phase voltage

10 Vrms

Output: 20V DC (+/- 1V), 3

Amps (+/- 0.4A), Based on

expected RPM

Rated Power: 60W

Efficiency: over 90%

a) Connect the rectifier to the

generator or a three-phase output

from ECE Service shop to obtain 10

Vrms phase voltage.

b) Connect a resistor of 40 Ohms

that draws 0.5 Amps DC at the

output along with a filter of 30 mH

to filter it out

c) Measure output voltage across

the load with a two-channel

oscilloscope and check it is 20 V DC

with a ripple of +/- 1 V and +/-0.4 A

Connections (1)

Output voltage 20V DC

(5)

Output current 3 Amps

DC (3)

Ripple accords with

requirement (4)

Efficiency over 90% (2)

Total 15

2-. DC-DC Converter: Buck-

converter (20V->15V DC)

Rated Power: 60W

Over 85% efficient

Governed by a PI controller

a) Connect to a regulated DC

power source in the lab.

b) Set offset 20 Volts and

sinusoidal wave of 0.3 V

Amplitude.

c) The load will be a 100 Ohms 2W

resistor to test it.

d) Measure the output current

with a two-channel oscilloscope

along with the output voltage

across the load

e) Display in Arduino Serial the

measured output voltage as well

Connections (0.5)

Driver is correctly

switched (2)

Applying an input of 20

DC the output is 15 V

+/-0.5V (3)

Efficiency >85% (2)

Total 7.5

as the signal after the PI to check

error = 0

3-.Battery bank: Battery

gauge displays correct

charge (+/- 0.2 V compared

to volt meter)

4.2 Battery Bank operates in

a 77o F environment

a) With a backup battery we

supply 15V and 2 Amps and check

that the gauge reflects the battery

is charging

b) Fully charged, connect a load of

5 Ohms at the output of the

batteries and check that the gauge

reflects now they are discharging

at 3 Amps constantly

c) Measure the time with a cell

phone chronometer it takes to

charge a quarter of the battery and

extrapolate for full-time charge to

check whether is reasonable

d) Routinely make sure area

surrounding battery is not too hot

Voltage measurements

are correct (2.5)

Gauge measurements

are correct (3)

Time of charging is less

than 20 hours (1)

Temperature < 77ºF at

any time (1)

Total 7.5

4-.DC/DC-USB Ports at 5

Volts DC, ~0.7A

5.1 Inverter-Three-pin outlet

at 110 V AC, ~1A

5.1.1 Transformer

10V->110V AC

a) Connect power supply to the

inverter 12V DC(for AC outlets)

and USB ports (for DC outlets)

b) Measure voltage across USB

ports with a two-channel

oscilloscope and confirm it is 5V +/-

0.2V DC, ~0.7A each

c) Measure voltage across pin

outlets with a two-channel

oscilloscope and check it is 110V

+/-2V AC, ~1.2A

d) Isolate Transformer, supply 12V

AC using function generator,

Connections (1)

USB ports supply 5V

0.7A each (3)

Voltage across the pin

outlets is 110V AC (3)

Transformer ratio is

correct (0.5)

Total 7.5

measure output of 120V AC using

oscilloscope (+/- 0.5 V).

5-. Microcontroller:

Configures the duty cycle for

the buck converter by means

of a time-response controller

a) Isolate the buck converter for

testing

b) Supply the converter with a

sinusoidal wave of amplitude 1 volt

and an offset of 20 volts (similar to

the output of the rectifier)

c) Measure the output voltage

after running the ARDUINO code

and ensure that it still remains at

15 volts regardless of any

disturbances

d) Display in the Serial port of

Arduino the signal after the PI to

make sure that error in steady-

state equals 0

Arduino code has no

mistakes(1)

Output equals 15 Volts

for the input signal (3)

Applying a disturbance

by adding some

amplitude to the

sinusoidal wave, output

remains constant (3)

Error remains equal 0 in

steady-state (0.5)

Total 7.5

6-. Charging IC: Inputs 15V

DC and outputs 15) (+/- 0.2V)

DC @ approx 1.3 A (+/- 0.2

A)

Charges Battery using

Constant Current method

a) Use power supply to supply 15V

DC to the IC

b) Measure output using

oscilloscope to confirm 15V and

1.3A with the desirable ripple

c) Connect to battery to ensure

proper charging method and

confirm it with the battery gauge.

Ensure by extrapolating one

quarter of the charging time that

time is reasonable.

Output is 15 Volts (2)

Battery charges(2)

Time is less than 20

hours for full charge (1)

Total 5

ANEXO D: DATASHEET CARGADOR

BATERÍA

ANEXO E: IEEE CODE OF ETHICS

ANEXO F: PROTOCOLO DE SEGURIDAD

ANEXO G: DATASHEET DEL

TRANSFORMADOR

ANEXO H: RIESGO ELÉCTRICO

sistema electrÓnico de potencia para una turbina eÓlica · trifásico, un conversor dc-dc, un...

Documents